イーサリアム（ETH）が抱えるスケーラビリティ課題と解決策

はじめに

イーサリアムは、2015年にVitalik Buterinによって提唱された、分散型アプリケーション（DApps）を構築・実行するためのプラットフォームです。ビットコインと同様にブロックチェーン技術を基盤としていますが、スマートコントラクトという独自の機能を持つことで、金融、サプライチェーン管理、投票システムなど、多岐にわたる分野での応用が期待されています。しかし、イーサリアムの普及と利用拡大に伴い、スケーラビリティ問題が顕在化し、その解決が喫緊の課題となっています。本稿では、イーサリアムが抱えるスケーラビリティ課題の詳細と、現在検討・開発が進められている様々な解決策について、技術的な側面を中心に解説します。

イーサリアムのスケーラビリティ課題

スケーラビリティとは、システムが処理できるトランザクション数やデータ量を指します。イーサリアムのスケーラビリティ課題は、主に以下の3点に集約されます。

1. トランザクション処理能力の限界

イーサリアムのブロックチェーンは、現在の設計では1秒あたり約15トランザクション（TPS）しか処理できません。これは、ビットコインの約7TPSと比較しても大きな改善が見られるものの、VisaやMastercardなどの既存の決済システムと比較すると、依然として非常に低い数値です。トランザクション処理能力の限界は、ネットワークの混雑を引き起こし、トランザクションの遅延やガス代（トランザクション手数料）の高騰を招きます。特に、DAppsの利用者が増加すると、ネットワークの負荷が高まり、ユーザーエクスペリエンスを著しく損なう可能性があります。

2. ガス代の高騰

イーサリアムでは、トランザクションを実行するためにガス代を支払う必要があります。ガス代は、トランザクションの複雑さやネットワークの混雑状況によって変動します。ネットワークが混雑すると、トランザクションを優先的に処理してもらうために、より高いガス代を支払う必要が生じます。ガス代の高騰は、DAppsの利用コストを増加させ、特に小額のトランザクションを伴うアプリケーションの利用を阻害する要因となります。

3. ブロックチェーンの肥大化

イーサリアムのブロックチェーンは、トランザクションデータが積み重なるにつれて肥大化していきます。ブロックチェーンの肥大化は、ノード（ネットワークに参加するコンピュータ）のストレージ容量を圧迫し、ノードの運用コストを増加させます。また、ブロックチェーンの同期に時間がかかるようになり、ネットワーク全体のパフォーマンスを低下させる可能性があります。

スケーラビリティ解決策

イーサリアムのスケーラビリティ課題を解決するために、様々な解決策が提案・開発されています。これらの解決策は、大きく分けてレイヤー1ソリューションとレイヤー2ソリューションの2つに分類できます。

レイヤー1ソリューション

レイヤー1ソリューションとは、イーサリアムのブロックチェーン自体を改良するものです。主なレイヤー1ソリューションとしては、以下のものが挙げられます。

1. シャーディング

シャーディングは、ブロックチェーンを複数のシャード（断片）に分割し、各シャードで並行してトランザクションを処理する技術です。シャーディングを導入することで、ネットワーク全体のトランザクション処理能力を大幅に向上させることができます。イーサリアム2.0では、シャーディングが主要なスケーラビリティソリューションとして採用されています。

2. コンセンサスアルゴリズムの変更

イーサリアムは、現在Proof-of-Work（PoW）というコンセンサスアルゴリズムを採用しています。PoWは、トランザクションの検証に膨大な計算資源を必要とするため、エネルギー消費量が多いという問題があります。イーサリアム2.0では、PoWからProof-of-Stake（PoS）への移行が計画されています。PoSは、トランザクションの検証に暗号資産の保有量を利用するため、エネルギー消費量を大幅に削減することができます。また、PoSは、PoWよりもトランザクション処理速度が速いという利点もあります。

レイヤー2ソリューション

レイヤー2ソリューションとは、イーサリアムのブロックチェーン上に構築される、スケーラビリティを向上させるための技術です。レイヤー2ソリューションは、イーサリアムのブロックチェーンの負荷を軽減し、トランザクション処理速度を向上させることができます。主なレイヤー2ソリューションとしては、以下のものが挙げられます。

1. ステートチャネル

ステートチャネルは、2者間のトランザクションをイーサリアムのブロックチェーン外で実行し、最終的な結果のみをブロックチェーンに記録する技術です。ステートチャネルを利用することで、トランザクションの遅延を削減し、ガス代を節約することができます。Lightning NetworkやRaiden Networkなどがステートチャネルの代表的な例です。

2. ロールアップ

ロールアップは、複数のトランザクションをまとめて1つのトランザクションとしてイーサリアムのブロックチェーンに記録する技術です。ロールアップを利用することで、トランザクション処理能力を向上させることができます。Optimistic RollupとZK-Rollupの2つの主要なロールアップ技術があります。

* **Optimistic Rollup:** トランザクションが有効であると仮定し、異議申し立て期間を設けることで、不正なトランザクションを検出する技術です。
* **ZK-Rollup:** ゼロ知識証明と呼ばれる暗号技術を利用して、トランザクションの有効性を証明する技術です。ZK-Rollupは、Optimistic Rollupよりもセキュリティが高いという利点があります。

3. サイドチェーン

サイドチェーンは、イーサリアムのブロックチェーンとは独立したブロックチェーンであり、イーサリアムのブロックチェーンと双方向通信を行うことができます。サイドチェーンを利用することで、イーサリアムのブロックチェーンの負荷を軽減し、特定のアプリケーションに特化したブロックチェーンを構築することができます。Polygonなどがサイドチェーンの代表的な例です。

イーサリアム2.0の進捗状況

イーサリアム2.0は、イーサリアムのスケーラビリティ課題を解決するための大規模なアップグレードであり、シャーディングとPoSへの移行を主要な目標としています。イーサリアム2.0の開発は、Beacon Chainの立ち上げ、Merge（PoWからPoSへの移行）、The Surge（シャーディングの導入）などの段階を経て進められています。

* **Beacon Chain:** イーサリアム2.0の基盤となるチェーンであり、PoSのコンセンサスアルゴリズムを管理します。
* **Merge:** イーサリアムのメインネットをBeacon Chainに統合し、PoSへの移行を完了させる段階です。
* **The Surge:** シャーディングを導入し、ネットワーク全体のトランザクション処理能力を大幅に向上させる段階です。

2022年9月15日にMergeが完了し、イーサリアムはPoSへの移行を完了しました。現在、The Surgeに向けて開発が進められており、今後の進捗に注目が集まっています。

その他のスケーラビリティソリューション

上記以外にも、イーサリアムのスケーラビリティを向上させるための様々なソリューションが提案・開発されています。例えば、Plasma、Validium、Volitionなどが挙げられます。これらのソリューションは、それぞれ異なる技術的なアプローチを採用しており、特定のユースケースに適している可能性があります。

まとめ

イーサリアムのスケーラビリティ課題は、その普及と利用拡大を阻害する大きな要因となっています。しかし、シャーディング、PoSへの移行、ステートチャネル、ロールアップ、サイドチェーンなど、様々な解決策が提案・開発されており、イーサリアム2.0の進捗状況からも、スケーラビリティ問題の解決に向けた動きが加速していることが伺えます。これらの解決策が実用化され、イーサリアムのスケーラビリティが向上することで、DAppsの利用が促進され、より多くの人々が分散型アプリケーションの恩恵を受けることができるようになるでしょう。今後の技術開発とコミュニティの協力によって、イーサリアムが真にグローバルなプラットフォームとして発展していくことが期待されます。